全固態(tài)模擬電視發(fā)射機(jī)功放單元數(shù)字化改造

劉學(xué)理

(河南省無線發(fā)射傳輸管理中心，河南 鄭州 450000)

全固態(tài)模擬電視發(fā)射機(jī)功放單元數(shù)字化改造

劉學(xué)理

(河南省無線發(fā)射傳輸管理中心，河南 鄭州 450000)

針對(duì)我國目前存在大量模擬發(fā)射機(jī)的現(xiàn)狀，通過對(duì)河南省7個(gè)骨干臺(tái)模擬發(fā)射機(jī)數(shù)字化改造實(shí)驗(yàn)，總結(jié)了在數(shù)字化過程中功放單元改造需要注意的問題，詳細(xì)分析了地面數(shù)字電視發(fā)射中幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，并描述了相關(guān)技術(shù)指標(biāo)調(diào)整和優(yōu)化的具體過程。

功率放大器；調(diào)制誤差率；非線性失真

按照廣電總局關(guān)于《地面數(shù)字電視廣播覆蓋網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃》(廣發(fā)﹝2012﹞113號(hào))文件精神，穩(wěn)步推進(jìn)地面電視數(shù)字化轉(zhuǎn)換，逐步增加地面數(shù)字電視覆蓋范圍和節(jié)目數(shù)量，到2018年底，完成數(shù)字化轉(zhuǎn)換過渡，2020年全國停止模擬電視播出。目前，我國2 000多個(gè)無線發(fā)射臺(tái)站配置了模擬電視發(fā)射機(jī)，為迎接數(shù)字無線發(fā)射時(shí)刻的到來，不允許也不可能全面淘汰現(xiàn)有模擬電視發(fā)射機(jī)。購進(jìn)新設(shè)備需投入大量資金，先一步探索適合發(fā)射臺(tái)地面數(shù)字電視漸進(jìn)式發(fā)展的模式，保證當(dāng)?shù)啬軌蛉?、快速地進(jìn)入數(shù)字化覆蓋時(shí)代，加快推進(jìn)地面數(shù)字電視發(fā)展，對(duì)于鞏固和拓展黨的宣傳文化陣地，提高廣播電視公共服務(wù)的質(zhì)量和水平，滿足人民群眾日益增長的精神文化需求，對(duì)現(xiàn)有模擬電視發(fā)射機(jī)適應(yīng)數(shù)字地面電視(DTMB)發(fā)射的技術(shù)研究，在現(xiàn)階段顯得尤為重要。

1 全固態(tài)模擬電視發(fā)射機(jī)

1.1 全固態(tài)模擬電視發(fā)射機(jī)的組成

全固態(tài)模擬電視發(fā)射機(jī)主要由以下幾部分組成：激勵(lì)器、功放模塊、帶通濾波器、合成器、分配器、電源模塊、制冷和監(jiān)控。

1)激勵(lì)器是發(fā)射機(jī)的主要核心部件，其主要功能是將由節(jié)目源傳輸過來的AV信號(hào)經(jīng)過處理后上變頻到發(fā)射頻率，并放大一定功率后去推動(dòng)功放模塊。

2)功率放大器是電視發(fā)射機(jī)價(jià)格的決定因素，約占發(fā)射機(jī)機(jī)價(jià)格的75%。該部分的作用主要是提升發(fā)射機(jī)的輸出功率等級(jí)，把從激勵(lì)器送過來的射頻信號(hào)放大到設(shè)計(jì)功率。

3)無源器件在發(fā)射機(jī)中，無源器件主要包括分配器和合成器等，為使發(fā)射機(jī)輸出更高的發(fā)射功率，需多個(gè)末級(jí)功放分配器，主要功能是把激勵(lì)器的輸出功率平均分配到各個(gè)功放模塊，由各功放模塊分別進(jìn)行功率放大后，再輸出到合成器。整體架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了同向一次分配合成，最大限度減少多次合成造成的功率損耗。如圖1所示。

圖1 發(fā)射機(jī)組成

4)供電系統(tǒng)：開關(guān)電源采用并聯(lián)均流供電方式，其中電源監(jiān)測(cè)模塊監(jiān)控電源的工作狀態(tài)，根據(jù)監(jiān)控的情況自動(dòng)調(diào)整整機(jī)工作狀態(tài)，并有過流、過壓、欠壓、短路、過溫、防雷擊等保護(hù)措施。

5)制冷系統(tǒng)：固態(tài)電視發(fā)射機(jī)一直以來最常用的冷卻方式是風(fēng)冷，即通過冷卻空氣的流動(dòng)來散熱。隨著科技的發(fā)展，水冷/液冷冷卻方式也逐漸為固態(tài)發(fā)射機(jī)所用，它以冷卻液的流動(dòng)來進(jìn)行熱交換。

模擬電視發(fā)射機(jī)一般都是功率在10 kW以上的大功率發(fā)射機(jī)，功率放大器模塊比較多，一般使用外部強(qiáng)制風(fēng)冷冷卻方式。外部強(qiáng)制風(fēng)冷冷卻方式主要是通過外部風(fēng)機(jī)帶動(dòng)風(fēng)力循環(huán)來實(shí)現(xiàn)，一般都需要用到送風(fēng)機(jī)和排風(fēng)機(jī)。送風(fēng)機(jī)的原理是通過風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，把冷空氣吸入風(fēng)道送到機(jī)器內(nèi)部，排風(fēng)機(jī)的原理是通過風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)把熱空氣抽出，排放到外部大氣當(dāng)中。

6)監(jiān)控系統(tǒng)：發(fā)射機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用自動(dòng)控制技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，對(duì)廣播、電視發(fā)射機(jī)的本地及遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制，對(duì)其運(yùn)行參數(shù)及運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，具有自動(dòng)開關(guān)機(jī)、故障點(diǎn)定位、故障記錄、故障報(bào)警、指標(biāo)檢測(cè)、報(bào)表統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)查詢、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)共享、Internet遠(yuǎn)程訪問等功能系統(tǒng)。

1.2 末級(jí)功放原理和特點(diǎn)

末級(jí)功放組成部分主要包括：輸入、輸出模塊，功率放大模塊，監(jiān)控模塊，供電部分和制冷系統(tǒng)等。功率放大器的主要部件“功放模塊”，由多個(gè)LDMOS或VDMOS場(chǎng)效應(yīng)管并聯(lián)組成[1]。以LDMOS管為例，其工作原理是：由激勵(lì)器輸出射頻信號(hào)，通過約26 dB的推動(dòng)級(jí)功放，把激勵(lì)器的輸出功率放大到約70 W，放大后的信號(hào)經(jīng)過功率分配器分成3路，經(jīng)過約13 dB低增益的末級(jí)功放進(jìn)行再次放大，最后合成至1 kW輸出。

末級(jí)功放電路：由激勵(lì)器來的輸入信號(hào)通過二分配進(jìn)行功率分配，信號(hào)被平分為2路，這兩路信號(hào)經(jīng)過各自的BLF861組成的放大電路進(jìn)行放大，放大后的功率信號(hào)再經(jīng)過合成器進(jìn)行功率合成，兩個(gè)相同的放大電路組成一個(gè)功放模塊。兩個(gè)相同的功放模塊組成一個(gè)末級(jí)功放單元[2]。每個(gè)功放單元內(nèi)還有監(jiān)控裝置，能夠提供各種工作狀態(tài)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，例如輸出及反射功率、電源電壓參數(shù)、BLF861管電流參數(shù)和報(bào)警功能等。

全固態(tài)發(fā)射機(jī)由于采用新型放大器件，功放模塊具有較高增益和良好的線性等特點(diǎn)，工作在寬帶，性能指標(biāo)好，穩(wěn)定可靠，效率高。

2 數(shù)字電視發(fā)射機(jī)末級(jí)功放的主要技術(shù)指標(biāo)

2.1 帶肩比

帶肩比具體定義為信號(hào)中心頻點(diǎn)的功率值與偏離中心頻點(diǎn)載波外某點(diǎn)功率的比值，帶肩比為中心頻點(diǎn)±4.2 MHz的信號(hào)電平與中心頻點(diǎn)電平的比值，而我國的一個(gè)電視頻道標(biāo)準(zhǔn)帶寬也為8 MHz。帶肩比直接反映了數(shù)字電視發(fā)射機(jī)功放的線性水平，只有線性化程度越高，帶肩比越好，才能保證被傳輸信號(hào)具有盡可能低的調(diào)制誤碼率和高的信噪比。

2.2 調(diào)制誤差率

調(diào)制誤差率(MER)是數(shù)字電視信號(hào)的理想符號(hào)功率與噪聲功率之比取對(duì)數(shù)。眾所周知，對(duì)于數(shù)字信號(hào)，在調(diào)制編碼環(huán)節(jié)，會(huì)把數(shù)字信號(hào)分解為I組和Q組，I，Q的相位差為90°，量化后I，Q在一個(gè)坐標(biāo)圖上都有對(duì)應(yīng)的位置，如果符號(hào)在理想位置，應(yīng)該為一個(gè)小點(diǎn)，但是噪聲總是存在的，所以實(shí)際位置總會(huì)存在偏差。而調(diào)制誤差率就是使用數(shù)學(xué)模型來表示數(shù)字電視信號(hào)的噪聲狀態(tài)，其公式為

(1)

而星座圖是用圖形來表示數(shù)字電視信號(hào)的噪聲狀態(tài)，如圖2為具有廣義噪聲干擾的星座圖。

圖2 具有廣義噪聲干擾的星座圖

MER包含了信號(hào)所有類型的損傷，如各種噪聲、載波泄漏、I/Q幅度不平衡、I/Q相位誤差和相位噪聲等。它反映了數(shù)字電視信號(hào)經(jīng)傳輸后損傷的程度，是衡量數(shù)字電視系統(tǒng)的重要指標(biāo)。MER的經(jīng)驗(yàn)門限值對(duì)于不同調(diào)制模式有不一樣的要求，當(dāng)?shù)陀陂T限值時(shí)，接收端將無法正常接收。在發(fā)射系統(tǒng)的不同測(cè)量位置MER所要求的指標(biāo)也不同，我國發(fā)射機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)中要求發(fā)射機(jī)最終輸出的射頻信號(hào)的MER不小于32dB。在星座圖中的體現(xiàn)就是每一個(gè)代表信號(hào)的小點(diǎn)都在判斷門限中，也就是要求小點(diǎn)在星座圖中的小圓圈以內(nèi)，兩個(gè)要求是一致的，只是描述方式不同而已[3]。

2.3 非線性失真

非線性失真是由于引進(jìn)非線性元件或進(jìn)入非線性區(qū)域而引起的，對(duì)于一個(gè)理想的信號(hào)放大設(shè)備，輸出信號(hào)應(yīng)該如實(shí)反映輸入信號(hào)，即使在幅度和時(shí)間上可能有所不同，但波形應(yīng)當(dāng)是相同的。但是實(shí)際器件，輸出信號(hào)中除了有放大了的輸入信號(hào)以外，還增加了一定比例的輸入信號(hào)的高次諧波，使得輸出信號(hào)產(chǎn)生了變形或失真，這種失真叫做非線性失真。非線性失真是指數(shù)型失真，在輸出信號(hào)中產(chǎn)生了新的頻率分量。

圖3 功放單元電路圖

3 模擬電視發(fā)射機(jī)功放數(shù)字化幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的調(diào)整

一般模擬電視發(fā)射機(jī)的末級(jí)功放單元多為三級(jí)串聯(lián)，即前級(jí)、中間級(jí)和末級(jí)。以CSD10KW模擬電視發(fā)射機(jī)為例。該功放單元共三級(jí)串聯(lián)(如圖3)，輸入1mW、輸出1kW，功率增益GP約60dB。

3.1 前級(jí)推動(dòng)的調(diào)整

發(fā)射機(jī)的前級(jí)推動(dòng)是發(fā)射機(jī)必不可少的一部分，其特點(diǎn)一是輸出功率較小，一般為30dBm左右；二是增益較大，約為30dB左右。該級(jí)推動(dòng)直接實(shí)現(xiàn)mW級(jí)到W級(jí)的轉(zhuǎn)變。這級(jí)推動(dòng)的指標(biāo)對(duì)整個(gè)發(fā)射機(jī)的指標(biāo)影響較大，尤其在數(shù)字傳輸模式時(shí)，需線性放大，帶肩指標(biāo)不能裂變太大，嚴(yán)格控制在5dB以內(nèi)。對(duì)前級(jí)推動(dòng)指標(biāo)影響較大參數(shù)有兩個(gè)，一是輸入輸出阻抗；二是功放管線性放大區(qū)的靜態(tài)工作點(diǎn)。

該功放前級(jí)推動(dòng)的第一級(jí)功放由一只BGD714管組成。BGD714功放管的工作電壓為24V，靜態(tài)工作電流0.4A相對(duì)比較固定，在該工作點(diǎn)線性較好，該靜態(tài)工作點(diǎn)通用于模擬和數(shù)字，但為了提高帶肩比，對(duì)小功率高增益的功放管可引入衰減器。衰減器一是優(yōu)化輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)；二是實(shí)現(xiàn)整機(jī)功率回退。結(jié)合發(fā)射機(jī)高頻放大電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)易采用Π型衰減網(wǎng)絡(luò)(如圖4)。

圖4 Π型衰減器

(2)

(3)

A=10lgN

(4)式中：Rc為輸入阻抗，為50 Ω；N為電壓UO/UI比值，考慮到發(fā)射機(jī)整機(jī)功率回退3～5 dB及每級(jí)放大管輸入帶肩指標(biāo)和降低底部噪聲的要求，輸入級(jí)采用1 dB功率衰減，輸出級(jí)采用3 dB功率衰減。如圖4所示輸入輸出阻抗均為50 Ω，A為1 dB，經(jīng)計(jì)算可得出：R1和R2分別為11.6 Ω和436 Ω，為了便于購置市場(chǎng)常用高頻無感電阻可采用R1為12 Ω和R2為430 Ω。輸出級(jí)3 dB衰減，A等于3 dB，按照式(2)～(4)可得出R1約為37 Ω和R2為150 Ω。

前級(jí)推動(dòng)的第二級(jí)功放，這級(jí)功放由1只BLF861A管組成，模擬模式下，靜態(tài)電流為0.7 A，工作在AB類，增益為12 dB。對(duì)BLF861A而言，靜態(tài)工作電流適當(dāng)增加，也將增加帶肩比指標(biāo)，如圖5、6是靜態(tài)工作電流0.6 A與1.0 A的比較，靜態(tài)工作點(diǎn)在1.0 A使帶肩比提高了15.43 dB，增益提高了2 dB；對(duì)整機(jī)而言，前級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)在0.6 A時(shí)，帶肩比為-21.5 dB(見圖7)；在1.0 A時(shí)帶肩比為-27.6 dB(見圖8)。通過比較可以得出靜態(tài)工作電流在1.0 A時(shí)，帶肩裂變相對(duì)較小。

圖5 靜態(tài)工作點(diǎn)0.6 A(截圖)

圖6 靜態(tài)工作點(diǎn)1.0 A(截圖)

圖7 前級(jí)調(diào)整前帶肩比(截圖)

圖8 前級(jí)調(diào)整后帶肩比(截圖)

3.2 中間級(jí)推動(dòng)的調(diào)整

UHF發(fā)射機(jī)中間級(jí)功率推動(dòng)功放是由1只 BLF861A管組成，靜態(tài)電流為2～3 A，工作在A類，增益為13～16 dB，該級(jí)推動(dòng)僅進(jìn)行簡(jiǎn)單的調(diào)整，來平衡發(fā)射機(jī)各功放單元(包含前級(jí)、中間級(jí)、末級(jí)功放)的輸出功率，使得各功放單元的輸出功率相當(dāng)。以CSD10KW發(fā)射機(jī)為例：功放單元的增益調(diào)整到60 dB。

3.3 末級(jí)放大管的調(diào)整

LDMOS(lateral diffused metal oxide semiconductor)即橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體廣泛應(yīng)用于電視發(fā)射機(jī)中。20世紀(jì)后期，BLF861 UHF power LDMOS 晶體管廣泛應(yīng)用于全固態(tài)模擬電視發(fā)射機(jī)中，該功放管輸出功率大、增益高，BLF861管技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 BLF861 管技術(shù)參數(shù)

工作模式頻率/MHzVDS/VPL/WGP/dB效率/%PALAB類86032170同步頂>1440

全固態(tài)模擬電視發(fā)射機(jī)末級(jí)功放管BLF861靜態(tài)工作點(diǎn)0.7～0.8 A，在模擬發(fā)射機(jī)適應(yīng)數(shù)字化發(fā)射時(shí)，對(duì)末級(jí)要進(jìn)行必要的調(diào)整。這一級(jí)功放的調(diào)整與否直接影響數(shù)字播出時(shí)的輸出功率、帶肩比、調(diào)制誤碼率(MER)及覆蓋效果。從河南的7個(gè)骨干臺(tái)改造中均采用了靜態(tài)工作電流為1.0～1.2 A。BLF861在該靜態(tài)工作點(diǎn)的帶肩比指標(biāo)相對(duì)較好。又考慮到改造后的發(fā)射機(jī)能適應(yīng)模擬播出，末級(jí)的靜態(tài)工作點(diǎn)不宜太高，靜態(tài)工作點(diǎn)最終選擇1.0 A(見圖9)。

圖9 末級(jí)功放管調(diào)整后整機(jī)帶肩圖(截圖)

末級(jí)功放調(diào)整后，整個(gè)帶肩比指標(biāo)提升較為明顯，通過圖7與圖9比較可知，帶肩比指標(biāo)至少改善了15 dB。

3.4 末級(jí)功放單元的整體調(diào)整

末級(jí)功放單元的整體調(diào)整直接影響著整個(gè)發(fā)射機(jī)的穩(wěn)定性，發(fā)射機(jī)多組功放輸出平衡情況，直接影響著發(fā)射機(jī)的效率、功放管的使用壽命、整機(jī)的發(fā)射效率。

(5)

式中：Pout為合成功率，P1和P2為功放的輸出功率，由此可見，發(fā)射機(jī)每組功放平衡輸出必須平衡，即每組末級(jí)功放增益須相當(dāng)。

功放管的輸出功率不僅影響著整機(jī)的輸出功率，而且影響著數(shù)字播出時(shí)的帶肩指標(biāo)(功放管的線性)。在模擬發(fā)射機(jī)中BLF861功放管的輸出功率125～150W。從BLF861特性圖可知(圖10)，這一功率區(qū)域并不適合數(shù)字播出，為保證發(fā)射機(jī)的線性指標(biāo)，采用了25～75W這一功率區(qū)域。這一段線性較好，也就是功率回退。通過功率回退保障帶肩比指標(biāo)。

圖10 BLF861特性圖

4 結(jié)束語

河南7個(gè)骨干發(fā)射臺(tái)經(jīng)數(shù)字化技術(shù)改造之后，運(yùn)行了一段時(shí)間，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)運(yùn)行穩(wěn)定，播出節(jié)目的圖像質(zhì)量和聲音質(zhì)量明顯改善，豐富了節(jié)目數(shù)量，更好地滿足了人民群眾觀看數(shù)字電視的需要。在實(shí)際應(yīng)用中，設(shè)備的穩(wěn)定性、低耗能、易于維護(hù)等優(yōu)勢(shì)非常突出，而且投入不是很大。是一項(xiàng)極成功的技術(shù)改造，也順應(yīng)了電視數(shù)字化發(fā)展的必然趨勢(shì)。數(shù)字電視廣播發(fā)射系統(tǒng)取代模擬發(fā)射系統(tǒng)已經(jīng)成為一個(gè)必然趨勢(shì)。特別是隨著中央廣播電視節(jié)目無線數(shù)字化覆蓋工程項(xiàng)目的推進(jìn)，必將促進(jìn)各地?zé)o線數(shù)字電視的快速發(fā)展。所以研究模擬電視發(fā)射機(jī)和數(shù)字電視發(fā)射機(jī)的特點(diǎn)，掌握模擬發(fā)射機(jī)向數(shù)字發(fā)射機(jī)轉(zhuǎn)變的技術(shù)具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。特別是在目前模擬發(fā)射機(jī)占絕大多數(shù)情況下，對(duì)于部分資金緊張的無線發(fā)射臺(tái)，利用模擬發(fā)射機(jī)數(shù)字化改造技術(shù)進(jìn)行無線地面數(shù)字電視的發(fā)射，不失為一種可行的方式，值得在廣電系統(tǒng)推廣。

[1] 王紅熳. 全固態(tài)電視發(fā)射機(jī)功率放大器的維修[J]. 科學(xué)與財(cái)富，2013(9)：42.

[2] 楊振. 1kW全固態(tài)發(fā)射機(jī)的末級(jí)功放[J]. 衛(wèi)星電視與寬帶多媒體，2006(22):45-46.

[3] 鄒寶平，楊勇，閆路標(biāo). 地面數(shù)字電視發(fā)射機(jī)技術(shù)指標(biāo)的檢測(cè)[J].遼寧廣播電視技術(shù), 2014,14(1):71-73.

Digital reconstruction of power amplifier unit in all solid state analog TV transmitter

LIU Xueli

(HenanRadioEmissionandTransmissionManagementCenter,Zhengzhou450000,China)

In view of the present situation of a large number of analog transmitters, through the digital transformation experiment of seven transmitting stations, the problem of the improvement of the power amplifier unit in the digital transformation is summarized. Several key technical indicators in the ground digital TV transmission are analyzed in detail. And the specific process of adjustment and optimization of the related technology parameters are described.

HPA; MER; nonlinear distortion

劉學(xué)理.全固態(tài)模擬電視發(fā)射機(jī)功放單元數(shù)字化改造[J]. 電視技術(shù)，2017,41(1)：68-72. LIU X L.Digital reconstruction of power amplifier unit in all solid state analog TV transmitter[J]. Video engineering，2017,41(1)：68-72.

TN941.3

B

10.16280/j.videoe.2017.01.014

2016-06-06

劉學(xué)理(1976— )，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)閺V播電視技術(shù)及覆蓋工程。

責(zé)任編輯：薛 京